CN106461547A - 用于表征大层深波导的棱镜耦合***和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于表征大层深波导的棱镜耦合***和方法。所述***和方法利用具有耦合角α的耦合棱镜，所述耦合角具有发生全内反射的最大耦合角α_最大。棱镜角α处于0.81α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内。这种配置使得较远间隔的较低阶模式线移动得更靠近在一起并且使得较紧密间隔的较高阶模式线分开。经调整的模式线间隔允许在检测器处对其他紧密间隔的模式线进行适当采样。然后通过后处理来校正经检测的模式谱的模式线间隔。然后对经校正的模式谱进行处理以获得所述波导的至少一个特性。

Description

用于表征大层深波导的棱镜耦合***和方法

本申请根据35U.S.C.§119要求于2014年5月21日提交的美国临时申请序列号62/001,116的优先权权益，该申请的内容被用作依据并且通过引用以其全部内容结合在此。

技术领域

本公开涉及用于表征波导的棱镜耦合***和方法，并且具体地涉及用于表征大层深波导的***和方法。

在此提及的任何出版物或专利文献的全部揭露内容通过引用结合在此，包括题为“Systems and methods for measuring the stress profile of ion-exchanged glass(用于测量离子交换玻璃的应力分布的***和方法)”的美国专利申请序列号13/463,322、题为“Systems and methods for measuring birefringence in glass and glass-ceramics(用于测量玻璃和玻璃陶瓷中双折射的***和方法)”的美国专利申请公布号2014/0092377、以及题为“Apparatus and methods for measurement of mode spectraof index profiles containing a steep region(用于测量包含陡升区的折射率分布的模式谱的装置和方法)”的美国临时专利申请序列号61/897,546。(在下文中称为’546申请)。

背景技术

棱镜耦合技术可以用于测量平面光波导的导模谱以表征波导特性，例如，用于测量折射率和应力分布。这种技术已被用于测量不同离子交换(IOX)玻璃的应力和层深(DOL)。

特定类型的IOX玻璃实际上是由第一和第二扩散形成的双IOX(DIOX)玻璃，所述第一和第二扩散产生两段式分布。第一段邻近表面并且具有相对较陡的坡，而第二段更深地延伸到基底中但是具有相对较浅的坡。这种DIOX分布形成在特定类型的化学强化玻璃和抗菌玻璃中。

这种两段式分布导致具有相对较高效折射率的较低阶模式之间的相对较大间隔，并且导致具有相对较低效折射率的较高阶模式之间的非常小的间隔。当使用具有大约60°的输出侧角α的传统耦合棱镜时，模式间隔中的这种差异被进一步增强。针对这种耦合棱镜，出射光线的角度敏感性对于较低阶模式而言高于对于较高阶模式。由于模式由光电检测器(即，数字相机)检测，模式间的间隔是令人感兴趣的。测量的分辨率由邻近模式之间的光电检测器像素的数量所限定。

举例而言，考虑使用Ag⁺(浅)和K⁺(深)扩散形成的DIOX玻璃的典型折射率分布。较陡的浅Ag⁺IOX区可以具有大约0.06的折射率变化和距玻璃表面大约3μm的深度。更浅但更深的K⁺IOX区可以具有只有大约0.01的基本上较小的折射率变化和距玻璃表面大约90μm的深度。光电检测器处的最低阶的两个(TE或TM)模式之间的间隔可以有数百个像素，而最高阶的两个模式之间的间隔可以只有几个像素。

由于在较深段行进的高阶模式是欠采样的，当寻求对DIOX分布的较深段的精确测量时，所述模式对光电检测器像素的这种分布是有问题的。如果DOL足够大，则适当地解析高阶模式的谱线就变得不可能，并且其结果是不能精确地测量DIOX分布。

用于获得所需测量分辨率的一个选项是具有带有更多像素的更大光电检测器，所述光电检测器在一些情况下可能还需要更大光圈的光学***。然而，这种光电检测器和更大光圈的光学***为测量***增加了大量成本和复杂性。

发明内容

公开了用于表征大层深波导(如那些形成在DIOX玻璃样品中的波导)的棱镜耦合***和方法。所述***和方法利用具有耦合角α的耦合棱镜，所述耦合角α在发生全内反射时具有最大耦合角α_最大。所述棱镜角α处于0.81α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内。这种配置引起对模式谱的有利调整，其中，越紧密间隔的较高阶模式线越能在棱镜的出射角方面更好地分开。检测器检测经调整的模式谱，所述模式谱的经调整的模式线间隔允许对较高阶模式的其他紧密间隔的模式线进行适当采样，同时针对较低阶模式的初始地更宽松间隔的模式线更加有效地使用检测器间隔。然后通过后处理来重新调整(校正)经检测的模式谱的模式线间隔。然后处理经重新调整的(经校正的)模式谱以获得波导的至少一个特性。这种方法可以被应用于TM和TE模式谱以获得双折射分布的测量结果并且因此获得对波导的应力分布的度量。

本公开的一方面是一种用于测量波导的至少一个模式谱的测量***，所述波导形成于基板的顶表面并且具有大于50微米的层深(DOL)。所述测量***包括：耦合棱镜，所述耦合棱镜具有输入表面、输出表面和耦合表面、折射率n_p、以及在所述输出表面与所述耦合表面之间的棱镜角α，并且其中，所述耦合表面与所述波导在所述基板顶表面处界面连接，由此限定基板-棱镜界面；光源***，所述光源***被配置成用于穿过所述棱镜的所述输入表面照亮所述基板-棱镜界面，由此形成包括具有第一尺寸的所述至少一个模式谱的模式线的反射光，其中，所述反射光离开所述耦合棱镜的所述输出表面；光电检测器***，所述光电检测器***具有检测器，并且被安排成用于接收来自所述耦合棱镜的所述反射光并在所述检测器上检测所述至少一个模式谱；以及控制器，所述控制器被配置成用于处理所述所检测的至少一个模式谱以将由所述反射光在所述耦合棱镜的所述输出表面处的折射造成的所述模式线的失真校正为具有第二尺寸的经校正的模式谱；并且其中，所述耦合棱镜具有等于临界角的最大棱镜角α_最大，在大于所述临界角时所述反射光在所述棱镜的所述输出表面处被全内反射，所述棱镜角α处于0.81α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内，并且，所述第一尺寸基本上与所述第二尺寸相同。

本公开的另一方面是一种测量波导的模式谱的方法，所述波导形成于基板的顶表面中具有大于50μm的层深(DOL)。所述方法包括：使耦合棱镜与所述基板界面连接以形成基板-棱镜界面，所述耦合棱镜具有由输出表面限定的并且处于0.81α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内的耦合棱镜角，其中，α_最大限定了与在所述耦合棱镜内发生的全内反射相关联的最大耦合棱镜角；引导光穿过所述耦合棱镜到达所述基板-棱镜界面以形成包括所述波导的至少一个模式谱的模式线的反射光，其中，所述反射光离开所述耦合棱镜的所述输出表面；检测离开所述耦合棱镜的所述反射光的所述至少一个模式谱的所述模式线，其中，由于所述反射光在所述耦合棱镜的所述输出表面处的折射，所述模式线具有经调整的模式线间隔；以及在所述检测之后校正所述经调整的模式线间隔。

本公开的另一方面是一种测量波导的模式谱的方法，所述波导通过双重离子扩散到大于50μm的层深(DOL)而形成于基板的顶表面中。所述方法包括：使耦合棱镜与所述波导界面连接，所述耦合棱镜具有输入表面、输出表面、界面连接所述顶表面以限定基板-棱镜界面的耦合表面，所述耦合表面具有由所述耦合表面和所述输出表面限定的耦合棱镜角α、以及对应于所述输出表面处的全内反射角度的最大棱镜角α_最大，其中，所述耦合棱镜角处于0.81α_最大≤α≤0.99_最大的范围内；引导光穿过所述输入表面到达所述基板-棱镜表面，由此形成包括所述模式谱的反射光，其中，所述反射光在所述输出表面处离开所述耦合棱镜，并且使所述反射光入射到检测器上；用所述检测器检测所述模式谱的模式线，其中，由于所述反射光在所述耦合棱镜的所述输出表面处的折射，所述模式线具有经调整的模式间隔；以及在所述检测之后，校正所述模式线间隔中的所述调整。

附加特征以及优点将在以下详细描述中予以阐明、并且部分从所述描述中对本领域普通技术人员而言将变得非常明显或者通过实践如所写描述中描述的实施例和其权利要求书以及所附附图很容易被识别。应当理解，上述概括描述和以下详细描述仅是示例性的，并且旨在为理解权利要求书的本质和特征提供概要或框架。

附图说明

附图被包括以便提供进一步理解，并被结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图展示了一个或多个实施例，并与具体实施方式一起用于解释各实施例的原理和操作。如此，从以下结合附图进行的具体实施方式中将更充分地理解本公开，在附图中：

图1A是采用平面基板形式的示例DIOX玻璃基板的立体视图；

图1B是如在x-y平面中所取的图1A的DIOX基板的特写截面视图，并展示了跨基板表面发生并进入基板主体的双重离子交换过程；

图1C示意性地展示了形成DIOX基板的DIOX过程的结果；

图2是展示在图1C中的DIOX基板的每一侧的示例折射率分布n(x)的表示；

图3A是根据本公开的示例棱镜耦合***的示意图；

图3B是图3A的棱镜耦合***的光电检测器***的特写视图；

图3C是如由图3B的光电检测器***捕获的TM和TE模式光谱的示意性表示；

图4是示出本文中公开的示例耦合棱镜的棱镜耦合***的特写视图，具有与离子交换基板界面连接的耦合棱镜以及形成于其中的波导；

图5A和5B是基于棱镜折射率n_p＝1.7298的dβ₂/dn_eff(弧度/RIU)vs 40°、45°、50°、55°和60°的棱镜角α(图5A)以及60°、74°、82°、86°、88°、90°和92°的棱镜角α(图5B)的n_eff的曲线图；

图6是在保持模式光谱图像的总宽度具有相同尺寸的同时相对于60°的棱镜角针对棱镜角α＝92.0°在采集光学***的焦平面处的模式线间距Δx的变化D(Δx)(％)vs有效折射率n_eff的曲线图，在D(Δx)＝0处具有水平虚线；

图7绘制了针对基板块体折射率n_s＝1.45、1.46、1.47、1.48、1.49、1.50和1.51最大棱镜角α_最大vs棱镜折射率n_p；

图8绘制了针对棱镜折射率n_p＝1.7298的最大棱镜角α_最大vs基板块体折射率n_s；

图9A是展示具有带有对应模式线间距Δx的模式线的理想的、纯粹的、未扭曲的或以其他方式未改变的模式光谱的示意图；

图9B类似于图9A，但是，其中，模式光谱是图9A的模式光谱的经调整的版本，其中，由于耦合棱镜的输出表面处的折射，模式线间距已经改变并由Δx’来限定，如连接图9A和图9B的相应的模式线的虚线所指示的；以及

图9C示出了为获得图9A的经校正的(未经调整的)模式光谱对图9B的模式光谱的经调整的版本所做的校正(或重新调整)。

具体实施方式

现在详细参考本公开的各实施例，附图中展示了这些实施例的示例。在任何可能的情况下，在附图中使用相同的或相似的参考数字和符号来指代相同或相似的部分。附图不一定是按比例的，而且本领域技术人员将识别附图已经简化了的地方以展示本公开的重要方面。

如以下所阐述的权利要求书被结合到具体实施方式并构成具体实施方式的一部分。

出于参照的目的，笛卡尔坐标示出在一些附图中并且并不旨在关于方向和方位进行限制。

缩写词RIU代表“折射率单位”。

以下讨论是指IOX过程形成的波导的较低阶模式和较高阶模式。这些模式按照电场振幅的深度分布中的零点(节点)的数量进行排序。最低阶模式(对于横磁模式标记为TM₀，并且对于横电模式标记为TE₀)在分布中没有零点，并且具有最高有效折射率。第二模式(TM₁或TE₁)在其电场振幅的深度分布中具有一个节点，并且具有第二最高有效折射率，以此类推。波导所支持的这两个极化状态中的每一个极化状态的最高阶导模在电场振幅的深度分布中有最多的零点，并在所述极化状态的模式中有最低有效折射率。

在与具有较大DOL、强化离子(诸如Na⁺的离子交换K⁺中的K⁺)的化学强化玻璃有关的一些示例中，最高阶模式的有效折射率可能仅略高于基板或块体玻璃折射率，而且最低阶(基本的)模式的有效折射率可能仅略低于波导内任何地方的材料折射率的最小值(通常发生在玻璃表面)。

因此，本文所使用的术语“较高阶模式”和“较低阶模式”在某种程度上是相对的，因为，为了方便起见，我们可以将一定数量的最低阶模式限定统称为“低阶模式”并将剩余的较高的模式限定用于构成“较高阶模式”。因此，如用于区分模式或用于指代不同组中的模式的具体区分是为了方便说明并且不旨在是限制性的。

图1A是采用具有主体21和(顶)表面22的平面离子交换基板20的形式的示例玻璃基板的立体视图，其中，主体具有基板(块体)折射率n_s和表面折射率n₀。图1B是如在x-y平面中的离子交换基板20的特写截面视图，并展示了跨表面22发生并在x方向上进入主体21的双重离子交换(DIOX)过程。

图1C示意性地展示了形成(双重)离子交换基板20的双重离子交换过程的结果。离子交换基板20包括交换第一离子I1和第二离子I2的主体21中的基板离子IS。使用已知技术可以将第一和第二离子I1和I2依次或同时引入玻璃主体中。例如，第二离子I2可以是经由用于强化的KNO₃浴液引入的K⁺离子，先于引入可以是经由含AgNO₃的浴液引入的Ag⁺离子的第一离子I1，以在表面22附近添加抗菌属性。图1B中表示离子I1和I2的圆仅用于示意性说明，并且，其相对尺寸不一定表示参与离子交换的实际离子的尺寸之间的任意实际关系。

此外，离子I1可以在区域R1和R2中大量存在(参见图2，以下所介绍和讨论的)，I2类型的离子也可以如此。即使使用一步离子交换过程，也有可能观察在离子I1和I2的相对浓度上具有显著差异的两个区域R1和R2的形成。在示例中，使用在含有KNO₃和AgNO₃混合物的浴液中的含Na玻璃的离子交换，有可能获取具有Ag⁺和K⁺两者的显著浓度的区域R1以及同样具有Ag⁺和K⁺的显著浓度的区域R2，但是，Ag⁺关于K⁺的相对浓度在区域R1中比在区域R2中可能明显大得多。

图2是离子交换基板20(如在图1C中所展示)的示例折射率分布n(x)的表示。折射率分布n(x)包括与较浅离子交换(离子I1)相关联并且具有到主体21的深度D1的第一区域R1。折射率分布n(x)还包括与较深离子交换(离子I2)相关联并且具有限定层深(DOL)的深度D2的第二区域R2。在示例中，DOL为至少50μm，并且在另外的示例中可以有150μm那么大。在另一个示例中，DOL处于70μm到100μm的范围内。

实际上可以先于较浅区域生成较深的第二区域R2。区域R1与基板表面22相邻并相对较陡且较浅(例如，D1为几微米)，而区域R2则不那么陡并且相对较深地延伸到基板至上述深度D2。在示例中，区域R1在基板表面22处有最小折射率n₀并急剧减少至中间折射率n_i，而区域R2则更多地从中间折射率逐渐减少到基板(块体)折射率n_s。在此强调的是，其他离子交换过程可能会造成陡而浅的近表面折射率变化，并在此以说明的方式讨论了双重离子交换过程。

在示例中，使用包括专业耦合棱镜的如以下所描述的棱镜耦合***，本文所公开的方法采用离子交换基板20的光学测量。采用常规耦合棱镜的这种***在现有技术中通常是公知的，并且，在上述标识的美国专利申请中描述了适用于实施具有以下阐述的耦合棱镜的修改的本公开的方法的示例***。

棱镜耦合***

图3A是适用于实施测量具有折射率分布n(x)的离子交换基板20的TE和TM模式光谱的方法的示例棱镜耦合***(“***”)10的示意图。图3B是图3A的棱镜耦合***10的光电检测器***的特写视图。在示例中，离子交换基板20构成化学强化玻璃(诸如纽约州康宁镇的康宁公司制造的玻璃)。

***10包括被配置成用于支持基板20的基板固持器30。然而，在替代性实施例中，基板固持器30不是必需的。***10还包括耦合棱镜40，所述耦合棱镜包括输入表面42、可选的平坦顶表面43、耦合表面44和输出表面46。耦合棱镜40具有折射率n_p>n₀。通过将耦合棱镜耦合表面44与基板顶表面22进行光学接触，耦合棱镜40与基板20界面连接，从而限定可选择地包括连接流体(未示出)的基板-棱镜界面(“界面”)50。

耦合棱镜40包括对由输出表面46和耦合表面44形成的角进行度量的输出侧棱镜角(“棱镜角”)α。以下更详细地描述了棱镜角α的选择。

继续参照图3A，***10包括光学轴线A1和A2，所述光学轴线分别穿过耦合棱镜40的输入和输出表面42和46，以便在考虑到棱镜/空气界面处的折射后通常在界面50相交。***10沿A1轴线按顺序包括：发射具有波长λ的测量光62的光源60、可以替代性地包括在轴线A2上的检测器路径的可选的滤光片66、形成散射光62S的可选的光散射元件70以及可以部分地聚焦(测量)光62F的可选的聚焦光学***80，如以下解释的。因此，在***10的示例中，光源60与棱镜输入表面42之间没有光学元件。

***10从耦合棱镜40沿轴线A2按顺序还包括如以下解释的具有焦平面92和焦距f的接收反射光62R的采集光学***90、偏振器***100以及光电检测器***130。轴线A1限定光源60与耦合棱镜耦合表面44之间的光学路径OP1的中心。轴线A2限定耦合表面44与光电检测器***130之间的光学路径OP2的中心。注意，轴线A1和A2分别在输入和输出表面42和46处可能由于折射而弯曲。它们还可能通过光学路径OP1和/或OP2中的镜子的***而被分为多个子路径。

在示例中，光电检测器***130包括检测器(相机)110和帧捕获器120。在以下讨论的其他实施例中，光电检测器***130包括CMOS或CCD相机。图3B是光电检测器***130的偏振器***100和检测器110的特写立体视图。在示例中，偏振器***100包括TE偏振器部分100TE和TM偏振器部分100TM。光电检测器***130包括光敏表面112。光敏表面112留在采集光学***90的焦平面92中，光敏表面通常垂直于轴线A2。这用于将离开耦合棱镜输出表面46的反射光62R的角分布转换为相机110的传感器平面处的光的横向空间分布。参照图3B的特写插图，在示例实施例中，光敏表面112包括像素112p，即检测器110是数字检测器(诸如数码相机)。

将光敏表面112拆封为TE和TM部分112TE和112TM允许同时记录反射光62R的TE和TM偏振的角反射光谱(模式光谱)的数字图像。假定***参数可以随时间漂移，则这一同时探测消除了可能由在不同时间进行的TE和TM测量引起的测量噪声的源。

在***10的另一个实施例中，偏振器***100没有分离的偏振器配置，而是包括在传输TM或TE光谱的两种状态之间依次旋转90度的单个偏振器以便依次得到TM和TE耦合光谱。在这一实施例中，可以将偏振器***100放置在光源路径OP1或检测器路径OP2中。

图3C是光电检测器***130捕获的TM和TE模式光谱113的示意性表示。TM和TE模式光谱113由各自的光谱线(模式线)115TM和115TE构成。TM和TE模式光谱每个都包括较低阶模式(即，高有效折射率模式)L-TE和L-TM以及较高阶模式(即，低有效折射率模式)H-TE和H-TM。相邻的模式线115之间的间距表示为Δx并沿给定的模式光谱113的长度而有所不同，从较低阶模式到较高阶模式变得越来越小。

示例光源60包括激光器、发光二极管和较宽宽带源(诸如热白炽灯和石英灯)。测量光源60生成的光62的示例工作波长λ可以包括近紫外可视红外波长。当光源60具有连贯性时，可以是运动的或振动的漫散器的上述光散射元件70的使用可以帮助减少使耦合光谱的精确测量可能成问题的斑点。

***10包括被配置成用于控制***的操作的控制器150。控制器150还被配置成用于接收和处理来自表示捕获的TE和TM模式光谱图像的光电检测器***130的图像信号SI。控制器150包括处理器152和存储器单元(“存储器”)154。控制器150可以经由光源控制信号SL控制光源60的激活和操作，并接收和处理来自光电检测器***130(例如，如所示，来自帧捕获器120)的图像信号SI。

在示例中，控制器150包括计算机，并包括用于读取来自计算机可读介质(诸如软盘、CD-ROM、DVD、MOD、闪存驱动器或诸如网络或互联网的另一个数字信源)的指令和/数据的读取设备(例如，软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)设备(未示出)或包括诸如以太网设备(未示出)的网络连接设备的任何其他数码设备)。控制器150被配置成用于执行存储在固件和/或软件(未示出)中的指令，包括用于实施本文公开的表面双折射/应力测量的信号处理指令。在示例中，术语“控制器”和“计算机”可互换。

控制器150是可编程的以便用于执行本文描述的功能，包括***10的操作以及图像信号SI的后处理(信号处理)从而达成可以包括TE和TM部件的基板20的特性(诸如应力分布S(x)、双折射或压缩应力CS或折射率分布n(x))的测量。如本文所使用的，术语“计算机”并不仅限于那些在本领域中被称为计算机的集成电路，而是广义地指代计算机、处理器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、应用专用集成电路以及其他可编程电路，并且，这些术语在本文中可互换使用。

软件可以实现或帮助执行本文公开的***10的操作，包括上述信号处理。软件可以被可操作地安装到控制器150中，并且，具体地，处理器152和存储器154中。软件功能性可以涉及编程，包括可执行代码，并且，这样的功能性可以用于实现本文公开的方法。这样的软件代码是由通用计算机或由以下描述的处理器单元可执行的。

在操作中，将代码和可能地关联的数据记录存储在通用计算机平台内、处理器152内以及/或者存储器154中。然而，在其他时间软件可以被存储在其他位置并/或被传送用于加载到合适的通用计算机***中。所以，本文公开的实施例涉及采用至少一个机器可读介质所实施的代码的一个或多个模块的形式的一个或多个软件产品。由计算机***150的处理器152或由处理器单元执行这种代码使得平台能够实现目录和/或软件下载功能，基本上以本文讨论的以及展示的实施例中所执行的方式。

控制器150和/或处理器152每个都可以采用计算机可读介质或机器可读介质(例如，存储器154)，其指代参与向处理器提供包括例如确定表面双折射/应力的数量或基板20的应力分布S(x)的指令以供执行的任意介质。存储器154构成计算机可读介质。这样的介质可以采用许多形式，包括但不限于，非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光或磁盘(诸如操作以上讨论的服务器平台中的其中一个服务器平台的任意计算机中的任意存储设备)。易失性介质包括动态存储器(诸如这种计算机平台的主存储器)。物理传输介质包括同轴电缆、铜线以及光纤光学器件，包括在计算机***内具有总线的导线。

计算机可读介质的通用形式包括例如软盘、软性盘、硬盘、磁带、闪存驱动器以及任意其他磁介质；CD-ROM、DVD以及任意其他光学介质；不常用介质(诸如穿孔卡、纸带以及具有孔图案的任意其他物理介质)；RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM以及任意其他存储器芯片或盒；传送数据或指令的载波、传送这种载波的电缆或链路或计算机可以从其读取可编程代码和/或数据的任意其他介质。在将一条或多条指令的一个或多个序列携带至处理器152以供执行时会涉及这些形式的计算机可读介质中的许多种。

在示例中，基于经测量的模式光谱，控制器150被编程用于确定离子交换基板10的至少一种特性。示例特性包括：表面应力、应力分布、压缩应力、层深、折射率分布以及双折射。在示例中，控制器150被编程用于执行如在以下文章中公开同时也在如上述’546申请中公开的计算：《光波技术期刊》4，1580-93年：(1986年10月)第10期，A.勃兰登堡，“离子交换玻璃波导中的应力”。

***10可以是商用棱镜耦合仪器(诸如由日本东京的Orihara产业株式会社制造和出售的FSM-6000棱镜耦合仪器)的经修改的版本。FSM-6000仪器表示在平坦的离子交换玻璃中的应力的高通量非破坏性测量中的现有技术，并利用了在589nm处具有棱镜折射率n_p＝1.72的耦合棱镜40。FSM-6000使用具有折射率n_f＝1.64的折射率匹配流体。在FSM-6000仪器中，从前两个横磁(TM)和前两个横电(TE)模式的有效折射率n_eff计算表面压缩应力(CS)，而基于线性折射率分布假设，经观察的模式的总数量与基板折射率以及层深(DOL)计算的前两种模式的上述有效折射率一起使用。

耦合棱镜

图4是与离子交换基板20的顶表面22连接示出的耦合棱镜40的特写侧视图，连同如经聚焦的光62F出发的示例光线62的路径一起，所述聚焦的光通过输入表面42，随着关于棱镜输出表面46的法线具有入射角β₁的入射光62R在θ角处从耦合表面44反射，并随着具有出射角β₂的入射光离开输出表面。

对于给定的波导模式，关于棱镜的耦合面的法线，入射共振角由以下给出：

其中，n_p是棱镜的折射率，并且n_eff是波导模式的有效折射率。关于耦合棱镜40的输出表面46的法线N，相应的入射和出射角β₁和β₂之间的关系为：

n_psin(β₁)＝n_空气sin(β₂) (2)

其中，n_空气＝1是空气的折射率。

相对于角θ，入射角β₁与棱镜角α的大小之间的关系由以下给出：

当α≤90°时，β₁＝θ-α， (3a)

当α>90°时，β₁＝α-θ。 (3b)

从公式(1)和(2)可知，作为棱镜角α的函数的出射角β₂与有效折射率n_eff之间的关系写为：

然后，相对于相应的有效折射率n_eff，棱镜出射角β₂的灵敏度表达为：

当光电检测器***130相对于采集光学***90设置使得轴线A2大致上垂直于相机110的焦平面92时，具有在出射角β₂上的差异Δβ₂的两条(竖直的)模式线115之间的间距Δx由以下给出：

为了用光电检测器***130捕获离子交换基板20所支持的所有模式的整个光谱，棱镜角α必定小于有效折射率n_eff等于或略大于基板20的折射率n_s时的出射角β₂＝90时的角。这个转换成最大棱镜角α_最大上的以下条件：

当n_eff等于或略小于基板表面22的折射率n₀时，允许由光电检测器***130进行整个光谱的捕获的最小棱镜角α_最小由条件β₂≤90决定，并由以下给出：

因此，为了捕获波导中所有模式的整个光谱，棱镜角α必定处于α_max≥α≥α_min的范围内。

最佳棱镜角

棱镜耦合***的常规做法是采用耦合棱镜(经常是等腰的)，其中，耦合表面与出射表面之间的棱镜角α最常见的是等于或几乎60°，并通常小于75°。在极少数情况下，当棱镜折射率仅略大于(大于2％–4％)测量的玻璃基板的折射率时，高达75°的棱镜角已被使用。由于较小耦合长度，这种棱镜已经具有较小尺寸(＜8mm)并且可能不足以分解具有较大DOL的DIOX分布的光谱。典型的棱镜角产生出射角与有效折射率n_eff的灵敏度，表达为dβ₂/dn_eff，随着增长的n_eff而增长。而在过去这已经不是问题了，结果表明，当测量具有展现与较高有效折射率n_eff相关联的稀疏地间隔的低阶模式以及与低有效折射率相关联的稠密地间隔的高阶模式的较大的DOL的波导时，这一灵敏度并不令人期待。

基于棱镜折射率n_p＝1.7298，图5A和5B是作为有效折射率n_eff的函数，相对于有效折射率n_eff的棱镜出射角β₂的灵敏度的曲线图，dβ₂/dn_ef(弧度/RIU)vs 40°、45°、50°、55°和60°(图5A)的棱镜角α以及60°、74°、82°、86°、88°、90°和92°的棱镜角α(图5B)的n_eff。注意，针对dβ₂/dn_eff，图5A比图5B有更小的范围。图5A的棱镜角α＝60°时的曲线示出了n_eff的范围的正斜率和低变化率。而这允许测量具有各种折射率的波导，对于测量具有陡峭分布和较大折射率差异的波导或具有例如Ag⁺和K⁺扩散形成的较深分布部分(诸如DIOX玻璃的分布)的波导，dβ₂/dn_eff的曲线的正斜率是有问题的。

在TE和TM模式光谱的图像(参见图3C)中，dβ₂/dn_eff vs n_eff的正斜率支持低阶模式(或高有效折射率)的线之间相对较宽的间距以及高阶模式(或低有效折射率)的线之间的较窄的间隔。这引发了两个主要的测量问题。第一个是，高阶模式的窄的线间距限制了使用价格适中的工业高分辨率传感器解决这种线的能力，其限制了可测量的DOL。第二个是，高阶模式的宽的间距减少了测量动态范围，从而阻碍了具有较长焦距以提高折射率或应力分布的深的部分的测量准确性和灵敏度的采集光学***90的使用。

图5A和5B示出了当棱镜角α大于约86°时，dβ₂/dn_eff从负斜率到正斜率的曲线变化的坡度。随着棱镜角α增大，出射角灵敏度dβ₂/dn_eff在n_eff(1.45至1.5)的低范围内迅速增大，而在n_eff(1.5到1.6)的高范围内则改变得更慢。这一特性确实是缓解上述两个测量问题所需要的，因为它显著地扩大了在n_eff的低范围内模式线115之间的线间距Δx，而没有显著地改变在n_eff的高范围内模式之间的模式线间距Δx。

随着它们靠近全内反射的临界角，使得低n_eff范围能够进行这样的相对增加的物理效应是入射角β₁的基本折射。当它们在输出表面46的入射角β₁大于具有较高有效折射率n_eff的低阶模式的入射角时，这一效应使低折射率模式的灵敏度受益。当棱镜角从60°变为92°时，针对n_eff＝1.45的作为n_eff的函数的棱镜角α的灵敏度大约提高600％。这意味着，1.45时的有效折射率的模式之间的线间距扩大了大约6倍。另一方面，最高有效折射率n_eff＝1.6时的灵敏度的变化大约为27％。通过选择较高的棱镜折射率n_p(例如，n_p＝1.8)，灵敏度的大幅度提高可以被推送到较高的有效折射率值，超过n_eff＝1.45(诸如1.5)。

如以上公式(6)所指示的，在光电检测器***130处测量的模式(模式线115)之间的间距Δx与采集光学***90和检测器110之间的距离成比例，大致上等于采集光学***的焦距并等于出射角β₂与模式有效折射率n_eff的灵敏度。为了捕获整个模式光谱，其空间扩展必定不大于光敏表面112的尺寸。在***10中使用的示例检测器具有22.3mm宽的光敏表面112。因此，当dβ₂/dn_eff增加时，需要配置具有不同的焦距的采集光学***90以确保模式光谱的图像尺寸基本保持相同。另一方面，针对耦合棱镜40和采集光学***90的各种组合，可以比较模式线115之间的线间距的变化以便标识产生基本上相同的图像尺寸的那些组合。

图6是与出射角α＝60°的棱镜相比，保持模式光谱图像的宽度相同的同时，采集光学***90的焦平面92处的相邻的模线(％)之间的间距Δx的变化D(Δx)vs棱镜角α＝92°时的有效折射率n_eff的曲线图。曲线图中的水平虚线指示模式线间距增大或减小的地方(例如，模式线间距没有变化的地方)之间的过渡。采集光学***90的焦距在α＝60°时是130mm，在α＝92°时变为63.3mm。图6的曲线图示出了，在n_eff(<1.5)低范围内，通过将棱镜角α从60°增大到92°增大相邻模式之间的线间距x。另一方面，在n_eff(>1.5)的高范围内，通过将棱镜角α从60°变到92°，减小模式线115之间的线间距x，由此增强敏感度与动态范围的改善之间的优选折中。

这一特征具体用于测量DIOX基板20，因为模式线间距x在高有效折射率范围内比在低有效折射率范围内大得多。因此，可以选择棱镜角α使得较远间隔的模式线115可以在空间上被压缩而较紧密封装的模式线在空间上可以被解压缩(例如，展开)。模式线间距的这一压缩和解压缩是由于在输出表面46处从耦合棱镜40离开时针对不同模式线115的反射光62R的不同折射角。

在由检测器110检测模式线115之后，就其本身而言，这一压缩和解压缩改变了(扭曲了、调整了等)实际的或真实的光谱并需要被校正(被重新调整、未被扭曲等)。而这一校正添加了一步到测量和表征过程，由于模式线115的选择性的压缩和解压缩，模式光谱的改变允许(多个)模式光谱符合检测器110，以便以提供足够的检测器像素112p的方式对所有检测的模式线进行足够地采样。它提供了足够使用的现有的检测器尺寸并避免了需要增大检测器尺寸(通常意味着购买更大更昂贵的检测器110)以便获取足够的(多个)模式光谱的空间采样，以及更大更昂贵的光学***的使用以便采集全光谱光线。

如图5A和5B所示，可以看出，棱镜角α越大，低有效折射率范围的灵敏度提高的越多。然而，为了获取所欲模式的整个光谱，棱镜角α必定小于最大棱镜角α_最大，如以上限定的。最大棱镜角α_最大取决于基板20的棱镜折射率n_p和折射率n_s。

图7绘制了基板折射率n_s＝1.45、1.46、1.47、1.48、1.49、1.50和1.51时的最大棱镜角α_最大vs棱镜折射率n_p。图8绘制了棱镜折射率n_p＝1.7298时的最大棱镜角α_最大vs基板折射率n_s。可以看出，随着基板20的折射率n_s的增大，最大棱镜角α_最大几乎线性地增大。

当反射光62R以接近临界角的较大入射角β₁从耦合棱镜40中在输出表面46处入射时，TM和TE偏振之间的反射性可以有较大差异。这导致了当同时捕获TM和TE模式光谱时的一些实用的问题，诸如图3B所展示的。具体地，TE模式光谱可以有基本上很少的光到达检测器110。因此，在示例实施例中，输出表面46包括针对待测量的有效折射率n_eff的期待的范围的入射角β₁特性的范围优化的反射膜。

在一个示例中，将棱镜角α选择为略小于最大棱镜角α_最大。在各个示例中，棱镜角α处于范围0.81α_最大≤α≤0.99α_最大内，或者范围0.90α_最大≤α≤0.99α_最大内，或0.95α_最大≤α≤0.99α_最大内。

一旦使用具有有上文选择的棱镜角α的耦合棱镜40的***10进行了模式光谱的测量，则控制器150用于后处理经测量的模式光谱。这是因为模式光谱由于具有不同输出角β2的不同的模式线115而“扭曲”。换句话说，相邻模式之间的间距非线性地受到了影响，如图5所展示的以及如由公式(5)所给出的dβ₂/dn_eff所限定的。幸运的是，基于***10的具体操作参数，模式光谱的“扭曲”或选择性的调整是明确限定的且已知的，并因此可以使用控制器150通过测量的光谱的后处理而得到校正。公式(5和6)可以被控制器150用于进行后处理校正并且公式(6)可以被控制器150用于建立TE和TM模式光谱的相邻模式之间的合适的间距Δn_eff_。在替代性的实施例中，使用在上述’377申请中公开的精确的公式，直接从传感器上的位置x计算n_eff。

有效折射率根据图像中心的x坐标(x_中心)被赋值。然后，通过以下关系式发现与这一中心有效折射率相对应的出射角：

使用上述关系式，经由以下精确的关系均可发现与传感器上的任意位置x相对应的有效折射率：

然后，控制器150使用本领域已知的计算来继续计算DIOX基板20的上述特性中的至少一个特性。

图9A是示意图，所述示意图展示了示例理想的、纯粹的、未扭曲的(当dβ₂/dn_eff在测量的角范围内大致恒定时)或以其他方式具有有各自的模式线间距Δx的模式线115的未改变的模式光谱113，其作为模阶的函数如上述所讨论的发生变化。这一理想的模式光谱113存在于基板-棱镜界面50但并非易于接近的并因此通常是不可直接测量的。

图9B类似于图9A并示出了作为模式光谱113的经调整的版本的模式光谱113’。在经调整的模式光谱113’中，模式线间距已经改变并由Δx’限定，如由连接相应的模式线115的虚线所指示的。由于与模式光谱的不同模式相关联的反射光62R的输出表面46处的折射，如上述所讨论的，模式线间距发生变化。注意与理想的模式光谱113相比，在模式光谱113’中，较远间隔的较低阶模式L的经调整的模式线间距Δx’是如何减小的，而与理想的模式光谱相比，较紧密间隔的较高阶模式H的模式线间距是如何增大的。还要注意在示例中，经调整的模式光谱113’的总体尺寸与图9A的理想的模式光谱113的总体尺寸大致相同。

图9C示出了对模式光谱113’的经调整的版本所做的校正(或重新调整)以获取图9A的经校正的(未调整的)模式光谱113，假定其先前为未知的。通过知晓***10的配置(包括耦合棱镜40的配置)以及耦合棱镜的输出表面46处的折射如何影响与原来的或真实的模式光谱113的不同模式的不同模式线115相关联的测量光62的路径来完成这一校正。如上述所讨论的，公式(5和6)提供了作为有效折射率n_eff的函数的模式线间距Δx的变化之间的关系。因此，经由计算机可读介质(例如，软件)中公式(6)的实现，控制器150可以用于获取真实的或未调整的模式光谱113。

对本领域的技术人员将变得清楚的是，可对如在此描述的本公开的优选实施例作出各种修改而不偏离如由所附权利要求书限定的本公开的精神或范围。因此，本公开涵盖了所提供的这些修改和变形，它们落在所附权利要求书和其等价物的范围内。

Claims (20)

1.一种用于测量波导的至少一个模式谱的测量***，所述波导形成于基板的顶表面中并且具有大于50微米的层深(DOL)，所述***包括：

耦合棱镜，所述耦合棱镜具有输入表面、输出表面和耦合表面、折射率n_p、以及在所述输出表面与所述耦合表面之间的棱镜角α，并且其中，所述耦合表面与所述波导在所述基板顶表面处界面连接，由此限定基板-棱镜界面；

光源***，所述光源***被配置成用于通过所述棱镜的所述输入表面照亮所述基板-棱镜界面，由此形成包括具有第一尺寸的所述至少一个模式谱的模式线的反射光，其中，所述反射光离开所述耦合棱镜的所述输出表面；

光电检测器***，所述光电检测器***具有检测器，并且被安排成用于接收来自所述耦合棱镜的所述反射光并在所述检测器上检测所述至少一个模式谱；以及

控制器，所述控制器被配置成用于处理检测到的至少一个模式谱以将由所述反射光在所述耦合棱镜的所述输出表面处的折射造成的所述模式线的失真校正为具有第二尺寸的经校正的模式谱；并且

其中，所述耦合棱镜具有等于临界角的最大棱镜角α_max，在大于所述临界角时所述反射光在所述棱镜的所述输出表面处被完全内反射，并且其中，所述棱镜角α处于0.81α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内，并且其中，所述第一尺寸基本上与所述第二尺寸相同。

2.根据权利要求1所述的测量***，其中，所述棱镜角α处于0.90α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内。

3.根据权利要求2所述的测量***，其中，所述棱镜角α处于0.95α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内。

4.根据权利要求1所述的测量***，其中，所述至少一个模式谱包括TE模式谱和TM模式谱。

5.根据权利要求1所述的测量***，其中，所述检测器包括检测所述TE模式谱的第一部分和检测所述TM模式谱的第二部分。

6.根据权利要求1所述的测量***，其中，所述棱镜角α大于90°。

7.根据权利要求1所述的测量***，其中，所述耦合棱镜具有平坦的顶表面。

8.一种测量波导的模式谱的方法，所述波导形成于基板的顶表面中具有大于50μm的层深(DOL)，所述方法包括：

使耦合棱镜与所述基板界面连接以形成基板-棱镜界面，所述耦合棱镜具有由输出表面限定并且处于0.81α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内的耦合棱镜角，其中，α_最大限定了与在所述耦合棱镜内发生的完全内反射相关联的最大耦合棱镜角；

引导光穿过所述耦合棱镜到达所述基板-棱镜界面以形成包括所述波导的至少一个模式谱的模式线的反射光，其中，所述反射光离开所述耦合棱镜的所述输出表面；

检测离开所述耦合棱镜的所述反射光的所述至少一个模式谱的所述模式线，其中，由于所述反射光在所述耦合棱镜的所述输出表面处的折射，所述模式线具有经调整的模式线间隔；以及

在所述检测之后，校正经调整的模式线间隔。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述棱镜角α处于0.90α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述棱镜角α处于0.95α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述棱镜角α大于90°。

12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括基于所述经校正的模式线间隔来确定所述波导的至少一个特性。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述波导的所述至少一个特性包括以下各项中的一项或多项：表面应力、应力分布、压缩应力、所述DOL、折射率分布和双折射。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个模式谱具有第一尺寸，并且其中，在所述检测之后所述校正所述经调整的模式线间隔形成具有第二尺寸的经调整的模式谱，所述第二尺寸基本上与所述第一尺寸相同。

15.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个模式谱由TE模式谱和TM模式谱组成。

16.根据权利要求8所述的方法，包括通过双重离子扩散(DIOX)过程来形成波导。

17.一种测量波导的模式谱的方法，所述波导通过双重离子扩散到大于50μm的层深(DOL)而形成于基板的顶表面中，所述方法包括：

使耦合棱镜与所述波导界面连接，所述耦合棱镜具有输入表面、输出表面、界面连接所述顶表面以限定基板-棱镜界面的耦合表面，所述耦合棱镜具有由所述耦合表面和所述输出表面限定的耦合棱镜角α、以及对应于所述输出表面处的完全内反射角的最大棱镜角α_最大，其中，所述耦合棱镜角处于0.81α_最大≤α≤0.99_最大的范围内；

引导光穿过所述输入表面到达所述基板-棱镜界面，由此形成包括所述模式谱的较高阶和较低阶模式线的反射光，其中，所述反射光在所述输出表面处离开所述耦合棱镜，并且使所述反射光入射到检测器上；

用所述检测器来检测所述模式谱的所述较高阶和较低阶模式线，其中，由于所述反射光在所述耦合棱镜的所述输出表面处的折射，所述模式线具有经调整的模式间隔；以及

在所述检测之后，校正所述模式线间隔的所述调整。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括基于所述经校正的模式线间隔来确定所述波导的至少一个特性。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述波导的所述至少一个特性包括以下各项中的一项或多项：表面应力、应力分布、压缩应力、所述DOL、折射率分布和双折射。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述耦合棱镜角α处于0.90α_最大≤α≤0.99α_最大的范围内。